施工參數對盾構穿越軟土地層變形控制的影響分析

楊 均

（中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，云南昆明 650220）

1 引言

城市軌道交通建設中盾構法施工被大量運用，但因其自身特點，其施工過程中存在一些不可控因素：①對于軟土地層，無論是土壓平衡盾構或是泥水平衡盾構，均依靠土倉或泥水倉內水土壓力來平衡掌子面前方的水土壓力，土倉壓力的動態調整直接關系掌子面土體穩定，進而影響周邊地層變形；②盾構主機本身呈倒錐形，刀盤開挖直徑略大于盾體，而一般盾體較管片外徑大約20 cm，導致盾尾脫出管片后形成明顯空隙，該空隙需要通過同步注漿和二次注漿進行填充，其填充效果受注漿壓力、漿液材料及配比、注漿時機及地層變化影響較大；③由于盾構掘進過程中盾殼與土體之間的摩擦作用、超孔隙水壓的形成與消散、地下水滲流變化、盾構開挖及行進擾動等，盾構施工會產生地層損失，進而導致周圍地層形變及地表沉降。

盾構施工涉及因素眾多，從造成盾構施工地層變形的角度看，設備因素（如盾體楔形量、超挖量）和施工人員因素（施工技術水平、施工管理水平）最終都將反映在盾構掘進施工參數上。總體上，對盾構施工控制影響較大的參數有：土倉壓力、同步注漿壓力、管片支護時機、管片上下頂進力差、頂進力等。

本文以昆明市軌道交通5號線工程金海新區站—福保站區間盾構穿越泥炭質軟土地層為背景建立三維數值計算模型，動態模擬盾構施工參數對軟土地層變形控制的影響。

2 工程概況

昆明市軌道交通5號線工程金海新區站—福保站區間沿環湖東路全地下敷設，線路出金海新區站后在履善巷環路東路路口下穿環湖東路，而后沿環湖東路西側敷設，先后下穿正大河、盤龍江、大清河、海河后進入福保站，區間距離滇池最近距離約為560 m，穿越地層為泥炭質軟土地層。區間場地范圍內的軟弱地層從上到下依次為：<1>-2素填土、<2>4-3黏質粉土、<2>3-3黏土、<2>2-3泥炭質土、<2>3-3黏土、<3>3-3黏質粉土、<3>1-3泥炭質土、<4>3-4黏質粉土、<4>1-3泥炭質土、<4>2-3黏土、<4>3-4黏質粉土、<5>2-3黏土，如圖1所示。

圖1 金海新區站—福保站區間地質剖面圖

3 數值計算

3.1 數值計算模型及模擬過程

3.1.1 計算模型及參數

本次數值計算模型采用FLAC3D有限差分軟件，以金海新區站—福保站區間左DK21+744.049斷面處地層鉆孔信息為基礎，建立盾構開挖數值計算模型。模型寬 74 m（x方向），長 150 m（y方向），高 55.15 m（z方向）。隧道開挖直徑 6.44 m，注漿層厚度 120 mm，管片外徑 6.2 m，內徑 5.5 m，管片厚 350 mm。模型沿隧道掘進方向每1.2 m（1環管片寬度）劃分1個單元。整體模型及地層分布如圖2所示。

本次數值計算中，在開挖面施加310 kPa支護壓力，模擬盾構機刀盤及土倉壓力對開挖面的支護作用；在盾尾處施加450 kPa環向壓力，模擬盾構機同步注漿漿液對地層的支撐作用；在盾尾第1環管片環面施加1 570 kPa壓力，模擬盾構機千斤頂對管片的反力作用；在管片環底部施加3.4 kN/m線性荷載，模擬臺車荷載。數值計算中荷載施加情況如圖3所示，所涉及的巖土體及結構體的物理力學參數如表1、表2所示。

3.1.2 模擬過程

盾構機的施工開挖是一個極為復雜的過程，不論是掌子面前方土體的開挖，還是管片支護的時機都對地層 有著顯著的影響。為最大程度還原盾構機在地層掘進過程中的狀態，圖4給出了盾構掘進動態開挖模擬過程。圖4中第n步開挖或第n+1步開挖在模型中對應的是一種狀態，包含荷載（大小、位置等）、單元狀態（殺死激活狀態、材料參數等）等信息，從第n步開挖到第n+1步開挖實際上是狀態之間的轉換，這種轉換不是一步到位的，它包含了多個計算步（或荷載步），例如，開挖新的土體單元、移動盾構機、荷載的重新生成與移除等。通過這種不斷的模型狀態改變，實現盾構機連續掘進的全過程模擬。數值模擬過程中主要考慮的施工影響因素如下。

圖2 整體模型及土層分布

圖3 荷載施加情況

表1 巖土物理力學參數表

表2 結構物理力學參數表

（1）盾構機掘進參數。土倉壓力采用向掘削面施加土倉壓力的方法模擬；盾體剛性支護通過賦予盾構機部分鋼材參數實現；頂進反力則通過向盾尾管片施加與土倉壓力相當的力實現。

（2）盾尾空隙模擬。盾尾空隙是引起周圍地層移動的主要因素，因而對它的模擬至關重要，本次計算中的盾尾空隙為24 cm（包含直徑方向兩側盾尾空隙）。①臨空面產生，數值模擬中通過臨空面產生的時間長短來模擬注漿的及時與否；②漿液注入，采用施加壓力的形式來模擬注漿壓力，本次計算取管片頂部的注漿壓力與地層豎向應力相等；③漿液壓力耗散與硬化，通過激活注漿層和管片襯砌的方式來模擬漿液的硬化，在計算過程中給注漿層材料賦予不同的物理力學參數（注漿材料硬化階段1～階段6）模擬漿液硬化的過程，同時移去先前施加在地層臨空面上的注漿壓力。

（3）管片及注漿層。管片外徑6.2 m，內徑5.5 m，厚35 cm，注漿層厚度等于盾尾空隙大小，取為24 cm。

圖4 盾構掘進動態模擬過程示意圖

（4）千斤頂頂推力。通過在盾尾管片環上施加與開挖面壓力均等的均布壓力模擬盾構機千斤頂壓力作用。

（5）后方臺車荷載。將臺車重量換算為均勻分布的節點荷載施加于盾尾后方的管片上。

3.2 數值計算結果分析

3.2.1 隧道開挖引起地層沉降分析

根據數值計算模型及盾構施工動態模擬過程，本文對盾構隧道右線及左線分別進行開挖計算，并提取開挖過程中地層沉降變化數據，通過統計分析與整理，得到圖5～圖8地層沉降分布曲線。

（1）通過對比圖5、圖6（隧道圓心標高z= 0，地表標高z= 28.71 m）可知，從縱向地層變形分布看，地層沉降是一個逐漸積累的過程，是施工前、施工中、施工后幾個過程的疊加，最后趨于穩定；在開挖面處地表沉降達到3.82 mm，盾尾處地表沉降達到6.39 mm；盾尾脫環后，沉降進一步發展，左線（先行）隧道開挖造成的地表最大沉降約為11.04 mm；右線隧道掘進后，由于影響相互疊加，左線隧道正上方地表沉降亦進一步增大，最大地表沉降達到了15.59 mm；從不同深度處地層沉降分布情況看，距離隧道越近的地層，變形越明顯，開挖過程中沉降曲線越陡，盾尾脫環對沉降變形的影響越大。

（2）通過對比圖7、圖8中的沉降變形曲線可知，由于右線隧道掘進對左線隧道的影響，地層變形相互疊加。從地表沉降槽的發展情況看，左線隧道開挖后地表沉降槽主要位于左線隧道正上方，最大地表沉降約為11.69 mm，右線隧道施工后地表沉降槽變深變寬，最大沉降趨于逐漸向兩隧道中間區域轉移，最大沉降達到17.24 mm。

3.2.2 施工參數對地表沉降影響分析

工程實際中一般認為盾構開挖面支護壓力、同步注漿壓力和漿液性質是影響盾構施工地層沉降控制的幾個關鍵因素。本文依托模擬數值計算分別對不同開挖面支護壓力、注漿壓力和漿液性質（不同的彈性模量）下盾構掘進的地表沉降進行分析。

（1）由圖9不同開挖面支護壓力比作用下盾構掘進地表沉降縱向分布曲線可以看出，開挖面支護壓力大小、注漿壓力大小和漿液性質對控制盾構穿越滇池泥炭質土施工期變形具有重要作用。在文中所述工況及背景條件下進行盾構隧道掘進，地表沉降對開挖面支護壓力的大小較敏感。總體趨勢是，平衡及盈壓條件下進行盾構掘進，地表沉降縱向分布曲線較平緩，欠壓條件下掘進時即使壓力只減小一半，地表沉降也將變化很大。

圖5 左線隧道開挖后隧道上方不同深度地層變形沿隧道縱向分布曲線

圖6 右線隧道開挖后左線隧道上方不同深度地層變形沿隧道縱向分布曲線

圖7 左線隧道開挖后距離開挖面不同距離處地表沉降曲線

圖8 右線隧道開挖后距離開挖面不同距離處地表沉降曲線

（2）由圖10不同注漿壓力條件下盾構掘進地表沉降縱向分布曲線可以看出，地表沉降發展變化情況與不同開挖面支護壓力作用下地表沉降的發展變化類似，地表沉降對同步注漿壓力大小的敏感性更為突出。特別是盾尾脫環后，注漿壓力小的情況下，地層沉降迅速產生并呈現擴大趨勢，最終導致地層沉降很大。

（3）由圖11不同漿液強度條件下盾構掘進后地表沉降縱向分布曲線可以看出，漿液性質對地表沉降控制的作用更加明顯。從本次數值計算的角度看，漿液性質主要體現了同步注漿初凝時間和強度方面的不同，漿液強度需要達到體積模量107次方以上才具有較好的控制地表沉降的作用；從沉降曲線的縱向發展情況看，盾尾脫環后地層沉降占整個地層沉降的比重較大，主要原因是盾尾脫環后開挖面與盾構管片之間存在20 cm的建筑空隙，這個空隙是由同步注漿漿液充填的；由于同步注漿過程中注漿壓力不足，漿液通過地層溢流，漿液凝固達到強度需要一定時間，由此導致地層變形。

4 結論及建議

本文對昆明市軌道交通5號線工程金海新區站—福保站區間盾構隧道不同開挖面支護壓力、注漿壓力和漿液性質（不同的彈性模量）下盾構掘進的地表沉降進行分析研究，結論及建議如下。

（1）雙線盾構隧道施工，在相同的施工工藝情況下，地層變形并不是完全對稱的；先掘進隧道由于開挖卸載作用，對地層原始應力產生了影響，最終會產生略大于后掘進隧道的變形。

（2）盾構在軟土地層中掘進，土倉壓力宜略大于土體掌子面壓力，即采用盈壓模式掘進。

（3）盾構在穿越軟土地層施工時，應保證同步注漿壓力和注漿量滿足及時充填對應土層的相關要求。

（4）盾構施工過程中，宜采用早凝漿液，同時宜使用稠漿，避免后期漿液凝固失水收縮產生地層損失，或采取其他措施達到及時填充盾尾空隙且無后期收縮作用。

圖9 不同開挖面支護壓力比作用下盾構掘進后地表沉降縱向分布曲線

圖10 不同注漿壓力條件下盾構掘進后地表沉降縱向分布曲線

圖11 不同漿液強度條件下盾構掘進后地表沉降縱向分布曲線